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氢原子的阴与阳

已有 3419 次阅读 2014-12-11 01:42 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

最近看了mit教授kleppner的科普文章 THE YIN AND YANG OF HYDROGEN(氢原子的阴与阳)。

这是一个非常有趣,同时又让人感慨的文章,尤其当它出自kleppner本人之手时。

我见过kleppner教授一次。大概是在07年,老刘组织一个国际会议,他是第一个做报告的。有天会后好像是没人招呼他吃饭。他来找秘书,秘书找老刘。老刘就说,我就请他吃个自助餐吧。

Kleppner属于运气差而没得奖的那类牛人。早在80年代他就开始着手制备bose-einstein-condensate。他当时就看上了氢原子。选择氢原子是因为氢原子的“阳”性。首先氢原子当然是一个boson子。其次,可以想象,制备bose-einstein-condensate的最大的困难之一是降温。实现足够低的温度是个关键任务。氢原子质量小,所以同样温度下,德布罗意波长大;而bose-einstein-condensation发生的条件是,粒子波长跟粒子间的平均距离相当。所以,在同样密度下,氢原子的转变温度是最高的。也就是说,对氢原子来说,降温的要求最低。再次,氢原子的电子的自旋可以通过某些手段被完全极化。而两个电子自旋平行的氢原子是不能够形成氢分子的(HeitlerLondon理论)。道理很简单,自旋平行意味着两电子轨道部分必须反对称。这便意味着两个电子不能够同时处于单电子基态轨道,而必须一个占基态轨道,一个占激发态轨道,这样能量就高了。所以自旋极化的氢原子是很稳定的,不会结合成分子。自旋极化氢原子的另外一个在kleppner看起来是优势的特点是,它们彼此间的s波散射长度非常小,因为原子间力是完全排斥势。这意味着,自旋极化氢原子比较接近课本上的无相互作用玻色子。相互作用当然不利于condensate的形成,所以氢原子的这个特点也有利于造condensate。最开始的condensate肯定粒子数有限。如果粒子间相互作用过大,有限的粒子数就形成不了condensate了。

这就是氢原子的阳。基于这些已知的阳性,kleppner的策略非常合理。

不幸的是,氢原子也有很多阴。在kleppner刚开始造condensate的时候,激光冷却技术还没有发展起来。在这种情况下,氢原子相比其他原子有优势,因为氢原子可以通过接触液氦被冷却到毫k量级。可是,当激光冷却发展起来之后,氢原子反而处于劣势。氢原子的基态到第一激发态的能量太大了,足足10个ev,远远高于可见光波段。这导致没法对氢原子激光冷却,因为没有这个波段的激光器(激光器的工作波段毕竟也是由介质里的原子或者分子的跃迁过程决定的,10个ev太大了)。而其他的碱金属却都可以用可见光或者近可见光波段来激光冷却。冷却的温度一下子远超液氦温度几个量级!氢原子的低质量优势荡然无存!再后来,人们发明了蒸发致冷技术。这个技术要求原子有效碰撞,快速恢复热平衡。极化氢原子几乎不碰撞,也就没法重新分配能量重新达到热平衡。所以,激光冷却和蒸发致冷都无法有效用于氢原子,而最终导致其他人实现condensate从而得奖的就是这两个关键技术!

易经讲阴阳相反相成。kleppner大概是深刻体会到这点了。

不过好在在别人实现碱金属原子的condensate三年之后,他终于也实现了氢原子的condensate。




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